¿Siguen siendo necesarias las marcas fiduciales en PCB con capacidades modernas de fabricación?

August 28, 2017
¿Siguen siendo necesarias las marcas fiduciales en PCB con capacidades modernas de fabricación?

Si omites las marcas fiduciales, puedes provocar un desastre total

Hace unos 10 años, dejé de ver películas de terror. Cuando era más joven, me encantaba pasar miedo; pero más tarde, cuando empecé mi carrera de ingeniería, me empecé a aficionar más a los géneros de acción y de ciencia-ficción. Imagino que es porque ya tenía una dosis más que suficiente de historias de horror en el trabajo, en las que la más mínima equivocación acababa en una pesadilla de posproducción catastrófica.

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Cuando empecé mi carrera en diseño electrónico, los componentes de orificio pasante eran sumamente populares, mientras que los de  montaje en superficie rara vez se veían. Cuando los microcontroladores (MCU) de encapsulado cuadrado plano (QFP) se hicieron populares, no tuve más remedio que migrar de la vieja huella  PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier). El motivo es que el encapsulado PLCC necesita un zócalo adicional, mientras que el encapsulado QFP puede montarse directamente en la PCB. Por lo que pude comprobar, fue solo cuestión de tiempo antes de que los fabricantes de chips dejaran de producir MCU en encapsulados PLCC, en favor de QFP o encapsulados similares.

El día que mis proveedores para el montaje de PCB me enviaron un mensaje por correo electrónico indicando que no podían montar la MCU en las 200 placas de producción que había encargado, es cuando empezó mi pesadilla. Acostumbrado a los zócalos PLCC, que son componentes de orificio pasante, no se me había ocurrido proporcionarles marcas fiduciales en el diseño de la PCB. Al no hacerlo, todas las MCU con encapsulado QFP y paso minúsculo tuvieron que montarse a mano.

A su vez, esto provocó un mayor porcentaje de placas rechazadas e incontables horas dedicadas a la corrección de fallos debidos a una soldadura manual imperfecta. Desde entonces, me aseguro de poner siempre fiduciales en mis diseños, incluso si mis proveedores me dicen que han modernizado sus máquinas para que funcionen sin estas marcas.

Electronic components on a circuit

¿Qué son las marcas fiduciales y para qué sirven en fabricación?

En el diseño de PCB, una marca fiducial es una forma redonda de cobre que sirve de punto de referencia para las máquinas de selección y colocación. Las marcas fiduciales para PCB ayudan a las máquinas a reconocer la orientación de la PCB y sus componentes de montaje en superficie con encapsulados de paso muy pequeño, como cuadrado plano (QFP), matriz de rejilla de bolas (BGA) o cuadrado plano sin patillas (QFN).

Hay dos tipos de marcas fiduciales que se encuentran comúnmente en los diseños de placas de circuito impreso: globales y locales. Las marcas fiduciales globales son una referencia de cobre que se coloca en el borde de la PCB y permite a la máquina determinar la orientación de la placa con respecto al eje X-Y. Las máquinas de colocación también utilizan la marca fiducial para compensar cualquier sesgo al sujetar la PCB.

Las marcas fiduciales locales son marcadores de cobre que se colocan en el exterior de la esquina de un componente de montaje en superficie y encapsulado cuadrado. Las máquinas de montaje las utilizan para localizar con precisión la huella del componente y reducir el número de errores en su colocación. Esto es especialmente importante en el caso de componentes con encapsulado cuadrado grande y paso fino.

automation chip mounter working with robo
Comprueba siempre con el fabricante los requisitos en términos de marcas fiduciales

¿Son necesarias las marcas fiduciales en PCB con tecnología de fabricación moderna?

Siempre he diseñado mis placas de circuito impreso con marcas fiduciales, tanto globales como locales. Sin embargo, me intrigó un artículo que leí en el que se comentaba la posibilidad de omitir las marcas fiduciales locales. Tenía sentido eliminar las marcas fiduciales en las PCB más pequeñas a fin de maximizar el espacio para las pistas de señales.

Gracias a los avances en la tecnología de fabricación, es posible omitir las marcas fiduciales locales bajo determinadas condiciones. En las placas más pequeñas, las máquinas de montaje modernas pueden colocar componentes SMT utilizando solo puntos fiduciales globales. Las marcas fiduciales también pueden omitirse en componentes de paso más grande. Por ejemplo, las máquinas más recientes pueden colocar con precisión los componentes de montaje en superficie con paso de 1,0 mm y superiores.

Dicho esto, es importante analizar la capacidad de la máquina del fabricante antes de eliminar los marcadores fiduciales locales del diseño. He aprendido por las malas que no todos los fabricantes cuentan con máquinas dotadas de la última tecnología. Por otro lado, las marcas fiduciales globales nunca deben omitirse del diseño, incluso si se trabaja con las algunas de las funcionalidades de fabricación más avanzadas.  

Mejores prácticas en el uso de marcas fiduciales para diseño de PCB

Uso de marcas fiduciales en el diseño de PCB para el montaje a máquina

Si quieres sacar el máximo partido del montaje a máquina, tienes que usar bien las marcas fiduciales. Hay una serie de pautas importantes a la hora de colocar las marcas fiduciales en un diseño.

  1. Las marcas fiduciales se hacen colocando una capa de cobre no perforada de forma circular. Las marcas fiduciales no deben tener máscara de soldadura.
  2. El tamaño óptimo de una marca fiducial es entre 1 y 3 mm. Se debe mantener un área libre similar al diámetro de la marca.
  3. Para lograr la máxima precisión con fiduciales globales, se deben colocar 3 marcas en el borde de la placa. En casos en los que no hay suficiente espacio, se requiere al menos 1 marca fiducial global.
  4. La marca fiducial debe mantener una distancia de 0,3 pulgadas (7,5 mm) del borde de la placa, excluyendo el área libre de la marca fiducial.
  5. En el caso de las fiduciales locales, coloca al menos dos marcas fiduciales en diagonal en el borde exterior del componente de montaje en superficie.
  6. Cuando la placa es más grande, cualquier desalineación angular durante la fabricación será menor. Esto se debe a que cualquier pequeña desviación angular será más fácil de detectar cuando la distancia entre fiduciales sea mayor.

Nota sobre el tamaño de fiduciales para el diseño de PCB

El tamaño de fiducial para PCB es generalmente de 1 a 3 mm, pero el tamaño óptimo depende de las máquinas de montaje que utilice el fabricante. Algunos fabricantes recomiendan añadir 3 fiduciales en las esquinas de la placa, ya que esto proporciona 2 medidas de alineación angular y permite a la máquina de selección y colocación deducir la orientación correcta. Algunos fabricantes indicarán un tamaño específico, que depende también del equipo de montaje que utilicen. Por regla general, el diámetro de la abertura de la máscara de soldadura debe ser el doble del diámetro del cobre puro para la marca fiducial, aunque algunos fabricantes prefieren que la abertura de la máscara de soldadura sea el triple del diámetro de la fiducial. Además, el tamaño de fiducial en una misma placa (tanto global como local) debe ser homogéneo y no variar en más de ~25 micras.

Al montar placas de 2 capas, las marcas fiduciales de la capa superior e inferior deben estar una sobre otra. Esto puede parecer sorprendente: cabría pensar que el diseño de fiduciales debería representar imágenes de espejo entre sí, pero nunca he visto a un fabricante mencionar esto en sus directrices. El tamaño de fiducial para PCB de las capas superior e inferior debe ser igual, incluida la abertura de la máscara de soldadura.

PCB fiducial size and solder mask opening

Dos recomendaciones comunes sobre abertura de máscara de soldadura y tamaño de marcas fiduciales para diseño de PCB

Las fiduciales locales suelen tener un tamaño tan pequeño como 1 mm, con una abertura de máscara de soldadura de 2 mm; no obstante, se debe prestar atención a la regla D-3D que se muestra en la imagen de arriba, ya que el fabricante podría preferir esta abertura de máscara de soldadura más grande con respecto al tamaño de fiducial de una PCB. El tamaño de fiducial local generalmente no es mucho mayor que 1 mm para permitir el enrutamiento de pistas y dejar espacio para otros componentes. Para componentes pequeños, como una resistencia 0201 o una BGA del tamaño de un chip, la máquina de montaje será lo suficientemente precisa como para que no sea necesaria una fiducial local, y sabrá exactamente dónde emplazar los componentes.

No tiene nada de malo verificar si la fiducial y la abertura de la máscara de soldadura tienen el tamaño correcto antes de enviar el diseño al fabricante. Las marcas fiduciales se clasifican como elementos mecánicos de la placa y no están conectadas a nada, por lo que es sencillo modificar la huella de una fiducial personalizada y colocar una nueva fiducial si es necesario. Algunos fabricantes modificarán el tamaño de fiducial si no es el adecuado.

Con software profesional de diseño de PCB, como CircuitStudio®, se puede colocar una marca fiducial insertando un pad, cambiando el tamaño de orificio a cero y estableciendo el valor correcto para el tamaño de fiducial para PCB.

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